Дилатометрические исследования в условиях ОАО "УкрГрафит" для оценки качества электродной продукции

Деркач В.В, Гнездилова В.П., Алексенко Е.П., Нечай В.В., Пономарев Ю.А.
ОАО «Укрграфит»
УДК 669.1.054.85

Электросталеплавильные печи являются крупными потребителями графитированных электродов, составляющих основной объем выпускаемой продукции электродных заводов. Электроды в работе электросталеплавильных печей составляют существенную статью расхода. В балансе суммарной себестоимости тонны выплавленной продукции доля электродов составляет 3-6%.

В процессе эксплуатации графитированные электроды подвергаются нагрузкам в результате действия различных факторов:

• сил растяжения и изгиба от веса свечи;
• сил, возникающих во время наклона печи, при сливе стали;
• сил от удара сползающими кусками шихты в ходе ее расплавления;
• сил, создаваемых внутренними напряжениями в ниппельном соединении, возникающими из-за различных коэффициентов термического расширения материала ниппеля и электрода;
• сил возникающих в результате сложного напряженного состояния под действием вибрации при работе печи.

Наиболее значительно действие этих сил сказывается на ниппельном соединении - слабейшем звене электродной свечи. Резьбовые соединения в свече электродов наиболее подвержены поломкам и обладают наиболее низкой эксплуатационной стойкостью.

Одной из основных причин повышенного расхода графитированных электродов в мощных дуговых сталеплавильных печах является их термическое разрушение, поэтому особое значение приобретает фактор термической прочности искусственного графита.

На фактор термической прочности не маловажное влияние оказывает показатель „температурный коэффициент линейного расширения».

Различные технологические приемы (изменение грансостава шихты, количество связующего, давление прессования, пропитка), влияюшие на поровую структуру изделий, изменяют величину ТКЛР не более чем на 15%. Высокий коэффициент анизотропии ТКЛР ниппелей связан с высоким коэффициентом текстуры зерен кокса-наполнителя и анизометрией частиц кокса. Анизотропия способствует снижению УЭС и повышению теплопроводности, а следовательно, повышению термостойкости изделий.

В 2002 г ОАО «Укрграфит» приобретен дилатометр фирмы «Netzsch Geratebau GmbH» модели DIL 402 E-8/Py, позволяющий определять ТКЛР продукции, а также изучать поведение обожженных образцов при высокотемпературной обработке (до 2800 ^oС), (определение скорости усадки, диапазона температур усадочных явлений), и решать определенные технологические задачи. Для обработки результатов дилатометрических измерений используется программное обеспечение «Proteus Analysis», разработанное фирмой «Netzsch».

В работе представлено решение 2-х задач с помощью дилатометрических исследований ТКЛР:

• изучение ТКЛР и относительного удлинения (dL/L_o) обожженных заготовок электродов и ниппелей при нагреве с целью корректировки режимов графитации;
• использование результатов определения ТКЛР для расчета допусков резьбового соединения узла «ниппель-электрод».

Изучение ТКЛР и относительного удлинения (dL/L_o) при нагреве "обожженных " заготовок электродов и ниппелей. Работа проводилась с целью корректировки режимов графитации.

Цель исследования - повышение качественных характеристик продукции: снижение удельного электросопротивления, повышение мехпрочноcти, термостойкости, ударной вязкости - повышение сортности продукции (электродов).

Процесс производства электродов состоит из следующих операций:

• Смешивание массы (наполнитель: кокс и графит смешивается с каменноугольным пеком).
• Прессование «зеленых» заготовок электродов и ниппелей.
• Обжиг заготовок в печах Редгаммера до температуры 1100 ^оС. При разложении пека образуются твёрдый продукт: кокс и летучие продукты;
• Графитация: термообработка до температуры 3000 ^оС, с целью перехода 2-х мерной структуры (кокс) в 3-х мерную (графит).
• Механическая обработка.

Одной из важных стадий технологии изготовления графитированных электродов и ниппелей является технологическая операция - графитация, которая является заключительной стадией длительного и многооперационного процесса изготовления графитированных изделий. Графитация углеродистого материала – это процесс упорядочения атомов углерода в структуре графита, происходящий при высокой температуре. Основная задача графитации – получение электропроводного и теплопроводного материала при сохранении целостности материала. Для получения качественного графита конечная температура в керне печи графитации должна быть не ниже 2500°С.

Процесс графитации электродных и ниппельных заготовок в промышленности осуществляется в электрических печах сопротивления Ачесона, где заготовки служат активным электрическим сопротивлением в общей цепи агрегата графитации: источник питания - короткая сеть – печь.

Управление процессом графитации производится по электрическим параметрам – мощности, току, напряжению. Режимы графитации задаются и исполняются по графикам ввода мощности. Технологические инструкции задают начальную мощность и почасовое её приращение. Конец продолжительности кампании графитации определяет удельный расход электроэнергии на 1 т продукции [5].

Алгоритм оптимизации графика ввода мощности (ГВМ) включает в себя следующие стадии:

1. Выполнение измерений ТКЛР, dL/L_о, dL/dt обожжённого материала в диапазоне температур (700-2500) °C и определение температурных интервалов линейных изменений образцов – усадок и расширений.
2. Расчёт температурного поля печи графитации с помощью трехмерной численной математической модели (КПИ) и установление интервалов усадочных процессов применительно к действующему графику ввода мощности.
3. Корректировка графика ввода мощности (ГВМ) – снижение скорости роста температур в критических температурных интервалах линейных изменений материала – снижение почасового приращения мощности либо применение изотермической выдержки.

У заготовок, изготовленных на основе различного кокса, усадочные явления в материале происходят при разных температурах, что требует для материала на основе различного кокса корректировку графика ввода мощности в печи графитации.

На рисунке 1 приведены графики изменения длины обожженных электродов в интервале температур (700-2500) ^оС (dL/L_o). Испытывались образцы электродов диаметром 500 мм. На рисунке 2 – графики изменений "технического" ТКЛР от температуры (среднего ТКЛР в выбранном интервале температур).

Рис. 1 - Графики изменения длины обожженных электродов в интервале температур (700-2500) ^оС (dL/L_o)

Рис. 2 – Графики изменений "технического" ТКЛР от температуры

Для изготовления электродов применялся кокс различной природы: На рисунке 1 до температуры (1000-1300) ^оС наблюдается термическое расширение образцов.

Выше температуры (1000-1300) ^оС наблюдается структурная усадка, обусловленная преимущественным увеличением диаметра кристаллитов и скрещиванием слоев сеток, а также образованием пакетов параллельно расположенных сеток. Происходит рост плоских молекул и их упорядоченная перестройка (усадка) в графитовую 3-х мерную структуру, когда их размеры достигают диаметра 150А. Этот процесс (графитация) продолжается до высоких температур - более 2500 ^оС. Изучение изменения размеров, сопровождающих этот процесс, показало, что скорость и характер линейных формоизменений различны. Графитация сопровождается усадкой.

Разрыв боковых связей должен сопровождаться временным увеличением размеров, но т.к. наряду с этим происходит сращивание кристаллитов, то вместо явного увеличения размеров фиксируется уменьшение усадки. Дальнейшее упорядочение структуры интенсифицирует процесс усадки [4].

Степень усадки можно определить как разницу между фактическим значением dL/L_o при температуре завершения усадочных явлений (Т_к) и значением dL/L_o для линейно аппроксимированного «доусадочного» участка этой кривой.

Степень усадки и диапазон температур усадочных явлений для графита, изготовленного на основе различного кокса различны (рисунок 1, таблица 1).

Таблица 1 - Диапазон температуры усадочных явлений и степень усадки электродов на основе различного кокса:

Наиболее высокая степень усадки наблюдается у электродов на основе кокса 1 и 4, наиболее низкая – у электродов на основе кокса 3.

Кроме того, величина удлинения и ТКЛР выше у заготовок электродов на основе кокса 1, следовательно, возникает необходимость увеличения удельного расхода электроэнергии для получения электродов требуемого качества.

На основании полученных данных следует, что для заготовок на основе кокса 1 и 4 необходима корректировка технологических параметров графитации.

Один из вариантов откорректированных графиков приведен на рисунках 3 и 4.

Рис. 3 – График почасового ввода мощности для графитации электродных заготовок

Рис. 4 – Среднеобъемная скорость роста температуры в заготовках в процессе графитации

Корректировка ГВМ в части почасового снижения мощности позволила получить 100%-й выход годной продукции на переделах графитации и мехобработки.

Вторая часть работы: использование результатов определений ТКЛР при высоких температурах с целью расчета допусков на размеры ниппеля и ниппельного гнезда

Расчет производится на основании температурного поля в ниппельном гнезде при эксплуатации электродов, на основании которого, в свою очередь, рассчитывается поле механических напряжений.

При прохождении тока через соединение электрод – ниппель возникают радиальные перепады температур: за счет контактного сопротивления разогревается ниппель, что приводит к его тепловому расширению. В результате поверхностные слои находятся в условиях растяжения (разрыва), а внутренние находятся в условиях теплового расширения, что может привести к образованию трещин: трещины образуются в зоне ниппельного соединения. Исходя из этого, целесообразно использовать для соединительного ниппеля материал, у которого УЭС и ТКЛР ниже, чем у соединяемых электродов.

Результаты измерений ТКЛР графитированных электродов и ниппелей

Выбор геометрии ниппельного гнезда лишь частично может решить вопрос разницы ТКЛР материала ниппеля и электрода. На ТКЛР и анизотропию ТКЛР оказывает влияние совершенство структуры кокса - оценка микроструктуры (балльность).

На рисунке 5 приведена зависимость ТКЛР электродов, измерение в интервале температуры (20-520) ^оС параллельно оси прессования, от оценки микроструктуры, используемого при их изготовлении кокса. Наблюдаем обратную зависимость между этими параметрами.

Рис. 5 – Зависимость ТКЛР графита от оценки микроструктуры используемого кокса

При увеличении анизометрии зерен кокса, возрастает анизотропия ТКЛР изготавливаемого из этого кокса электрода. В направлении параллельном оси ТКЛР снижается, перпендикулярно оси, соответственно, возрастает.

Графитированные электроды и ниппели на основе кокса различной природы и марок, полученные методом экструзионного прессования, имеют температурный коэффициент линейного расширения в направлении, перпендикулярном оси прессования выше, чем в направлении, параллельном оси прессования, что обусловлено преимущественной ориентацией кристаллографической оси «с» графита в направлении перпендикулярном оси зерна кокса.

Так же на анизотропию ТКЛР влияют гранулометрический состав, условия прессования, пропитка

С укрупнением гранулометрического состава исходной шихты ТКЛР в направлении, параллельном оси прессования, увеличивается, в перпендикулярном – уменьшается. Анизотропия ТКЛР снижается.

Дополнительная пропитка обожженной заготовки пропиточным пеком увеличивает прочностные свойства графитированных материалов, но при этом увеличивается ТКЛР. Поры уменьшают ТКЛР материала, что обусловлено частичной компенсацией расширения кристаллитов в направлении кристаллографической оси, порами.

На рисунке 6 приведены результаты измерения относительного удлинения электродов O 600 мм на основе различного кокса и ниппеля Н317Т4 на основе ниппельного кокса (кокс 6), на рисунке 7 – ТКЛР этих же электродов и ниппеля.

Рис. 6 - Относительное удлинение графитированных электродов диаметром 600 мм в интервале температур

Рис. 7 – Технический ТКЛР в интервале температур

Материал электродов на основе кокса 3 и 5 имеет ТКЛР в среднем на 17% ниже, чем материал на основе кокса 2, в исследуемом диапазоне температуры.

Использование результатов измерений ТКЛР для расчета геометрии ниппельного гнезда

Для надежной и безаварийной работы графитированных электродов, особенно крупногабаритных, в условиях интенсификации производства необходимо обеспечить:

• полную взаимозаменяемость ниппельного соединения;
• нужную плотность стыка при свинчивании;
• сохранение плотности стыков при вибрациях в процессе эксплуатации электродов;
• достаточную прочность стыка, защищающую его от поломок.

Для точной сборки большого числа электродов их резьба должна быть полностью взаимозаменяемой. Эта взаимозаменяемость может быть достигнута путем разработки системы допусков и обеспечением контроля резьбы соответствующими методами и средствами измерений.

Наиболее распространенными средствами измерений резьбы графитированных электродов и ниппелей являются измерительные резьбовые кольца, с применением которых появилась возможность оперативно получать фактическое значение среднего диаметра резьбы электрода и ниппеля, отклонения которых существенно влияют на качество ниппельного соединения.

Основным фактором, отрицательно влияющим на работоспособность и эксплуатационную стойкость ниппельного соединения, являются зазоры, возникающие между торцами электродов, а также между ниппелем и ниппельным гнездом вследствие неточности их изготовления. Для определения наибольших величин зазоров необходимо знать предельные отклонения среднего диаметра резьбы ниппельного гнезда и ниппеля, то есть поля допуска на средний диаметр резьбы.

Для определения оптимальных зазоров в ниппельном соединении были произведены расчеты изменения среднего диаметра резьбы ниппеля и ниппельного гнезда с учетом ТКЛР в диапазоне температур от 20°С до 2800 °С (см. рисунки 6 и 7).

Расчет производился по формуле:

По результатам оценки зазоров и натягов в ниппельном соединении принимается решение об изготовлении ниппельного соединения или корректируются исходные данные.

Конечная цель – обеспечить комплектацию электродов ниппелями с размерами и допусками электрода и ниппеля, которые обеспечивают оптимальную посадку, рассчитанную на фактических значениях ТКЛР электрода и ниппеля.

Рис.8. Расчет средних диаметров ниппеля и ниппельного гнезда

Выводы

Использование дилатометрических измерений в условиях ОАО «Укрграфит» позволяет:

1. Выполнять корректировки технологических режимов высокотемпературной обработки (графитации). По результатам работы получен более высокий выход годной продукции.
2. Объективно выполнить расчет допусков на размеры ниппеля и ниппельного гнезда электрода.

Библиографический список:

1. Тепловое расширение углеродных материалов. Обзорная информация. Выпуск 5. ЦНИИЭИЦМ. М, 1989.
2. Н.В. Негуторов. Теория и методология управления термопрочностью электродной продукции. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. г.Екатеринбург. 2001.
3. Исследование структуры и свойств электродных ниппелей с различной эксплуатационной стойкостью. Л.М. Гльдштейн, В.Н. Фомина, Н.С. Мельникова, Э.С. Варыпаев, Л.Н. Гусарова. Производство углеродных материалов. Сборник научных трудов – М.: НИИГрафит, 1983 г.
4. Тепловое расширение углеродных материалов. Обзорная информация. Выпуск 5. М, Цветная металлургия, 1989 г.
5. В.П. Соседов, Е.Ф. Чалых. Графитация углеродных материалов. М, Металлургия, 1987.

© Дорошенко Г.Л., Крисько В.И., Рубель Л.В., 2011